CN101143310A - 一种微通道式化学热泵反应器 - Google Patents

Abstract

一种微通道式化学热泵反应器，包括壳体，壳体的外壁上端设有换热流体出口，反应器包括内筒与外筒，内外筒之间形成容纳换热流体的夹层。壳体底部设有滤网、砝兰盘。壳体内填充氢化物粉体，反应床内设置全封闭式环形微通道，微通道内灌注高效换热流体。气体经滤网进入反应器内，与氢化物粉体进行反应，反应热经微通道内流体循环带至反应器内筒壁处，经换热流体带走。达到快速、高效换热的目的。本发明具有设备结构紧凑、反应物装填量大、传热效率高、操作弹性大、调控方便等特点。

Description

一种微通道式化学热泵反应器

技术领域

本发明涉及化学热泵、换热、制冷的气固相反应器，属于氢化/脱氢等气固反应的化学热泵用反应器，特别涉及一种微通道式化学热泵反应器。

背景技术

目前用于化学热泵的气固反应器主要有下面几类：

管式反应器——分管内装填与管外装填两种。管外型气固反应器将固体反应物装在换热管壳程，装填量大，但换热效率极低且大尺寸的外滤管现阶段无法加工，目前不能实现化学热泵的规模化应用(Z.Dehouche，W.deJong，E.Willers，et al.Modeling and simulation of heating/air conditioningsystems using the multi-hydride thermal wave concept[J].Applied ThermalEngineering，1998，18：457-480.)；管内型气固反应器将固体反应物装在换热管内，换热效果较管外型好，但滤管价格昂贵且反应物装填量较少，这使设备成本较高(J.G.Park，K.J.Jang，P.S.Lee，et al.The operating characteristicsof the compressor-driven metal hydride heat pump system[J].Int.J HydrogenEnergy，2001，26：701-706.)。

盘式反应器——采用薄金属盘装填固体反应物，换热效果很好，但反应物装填量太少使设备成本很高，且反应体系承压低、拆装复杂、不宜于化学热泵的工业调控(G.Anevi，L.Jansson，D.Lewis.Dynamics of hydrideheat pumps[J].Journal ofthe Less-Common Metals，1984，104：341-348.)。

高压釜反应器——耐高压、装填量大、设备成本低，但传热传质速率都很慢、输出功率低、整体用于化学热泵经济性很差(X.L.Wang，S.Suda.Reaction kinetics of hydrogen-metal hydride systems[J].International JournalofHydrogen Energy，1990，Vol.15，No.8：569-577.)。

环盘式反应器——具有设备结构紧凑、反应物装填量大、操作弹性大、调控方便等优点，但结构较为复杂、零部件较多、氢化物粉体及结构部件不易更换，其大规模应用有待进一步探索(Yuqi Wang，Fusheng Yang，Zaoxiao Zhang，Xiao Feng.Improved design of metal hydride reactor for heatpump applications.5th International Symposium on Multiphase Flow，HeatMass Transfer and Energy Conversion Xi’an，China，3-6July，2005.)。

其它类气固化学热泵反应器——如叠堆式反应器等，结构紧凑，操作方便，但具有明显反应传热不均等缺陷，现阶段无法工业化应用(D.Shaltiel，N.Kaplan，A.Granyevsky，et al.Hightemperature hydride tank using MmMg12compounds[J].Journal ofthe Less-Common Metals，1984，104：319-327.)。

综上所述，目前的反应器无法兼顾化学热泵用气固反应器对反应与换热的系统性能要求，无法实现高效、快速的传热传质，无法提高反应效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、反应物装填量大、传热效率高、操作弹性大、调控方便的微通道式化学热泵反应器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括上、下侧均开设有换热流体出口和换热流体进口的壳体，在壳体底部设置有砝兰盘，其特点是，壳体底部还设置有带有滤网的气体进口，所说的壳体由外筒体和内筒体组成，外筒体和内筒体形成的容纳换热流体的空腔与换热流体出口、换热流体进口相连通，内筒体内外两侧的侧壁上沿周向均匀布置有环形肋，内筒体顶部内外两侧均匀布置有直肋，在内筒体内还设置氢化物粉体反应床，且在反应床内布置有封闭的环形微通道。

本发明的滤网的孔径大于300目；环形微通道为全封闭式环形微通道，在反应床内沿轴向多层次均匀分布，并以壳体轴心为圆心，沿径向均匀分布，各环形微通道在壳体轴线处交汇；封闭环形微通道内的循环换热流体为低粘度高比热容的液体或液态金属；外筒体采用绝热材料制成；壳体底部气体进口的直径与内筒体的直径相等。

本发明采用全封闭多层次的环形微通道结构，作为强化系统反应传热的核心。在反应器内填充固体反应物，底部通入反应气体，直接与固体接触并反应，产生的反应热/冷量由微通道内的换热液体经自然循环的方式带走。并经反应器筒壁内外均匀设置的肋片传入外部强制对流换热流体。由于微通道内的液体循环流动，致使反应床内的固体氢化物温度趋于一致。本发明与目前国内外现有的管式反应器、盘式反应器、高压釜式等不同化学热泵用气固反应器相比，具有设备结构紧凑、反应物装填量大、更换反应物和零部件方便、传热传质速度快、反应效率高、操作弹性大、调控方便等特点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的径向剖面图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1-4，本发明包括上、下侧均开设有换热流体出口7和换热流体进口11的壳体，在壳体的底部设有砝兰盘2，气体进口1上的孔径大于300目的滤网1与砝兰盘2通过螺栓3与壳体固定连接，壳体由采用绝热材料制成的外筒体4和内筒体5组成，外筒体4和内筒体5形成的容纳换热流体的空腔与换热流体出口7、换热流体进口11相连通，内筒体5内外两侧的侧壁上沿周向均匀布置有环形肋6，内筒体5顶部内外两侧均匀布置有直肋8，在内筒体5内还设置氢化物粉体反应床9，且在反应床9内布置有封闭的环形微通道10，环形微通道10为全封闭式环形微通道，在反应床9内沿轴向多层次均匀分布，并以壳体轴心为圆心，沿径向均匀分布，各环形微通道10在壳体轴线处交汇，在封闭环形微通道10内的循环换热流体为低粘度高比热容的液体或液态金属。

氢气经气体进口1流入/流出反应床9，为保证氢气充分与反应床9内的氢化物粉体接触，壳体底部气体进口1的口径与内筒体5的口径保持一致。实际运用时，若反应器规模较小，入口可直接联结氢气管道。若反应器规模较大，可在入口处设大小头联结氢气管道。与氢化物反应的热量经内置于反应床9的环形微通道10内的流体传至反应器内筒体5处，经导热方式传给反应器内外筒体形成的空腔，由该空腔内的换热流体带走，在反应床9内，由于流体的自然流动而带来换热，使得反应床9内不同层次深度的氢化物粉体温度趋于一致。同时为增强传热传质效果，在反应床9顶部设有直肋8，在内筒体内外侧均匀布置环形肋片6，反应器下部设有换热流体进口11，换热流体出口7设与反应器顶部，以有利于流体可能产生的气泡排出。

Claims (6)

1.一种微通道式化学热泵反应器，包括上、下侧均开设有换热流体出口(7)和换热流体进口(11)的壳体，在壳体底部设置有砝兰盘(2)，其特征在于：壳体底部还设置有带有滤网的气体进口(1)，所说的壳体由外筒体(4)和内筒体(5)组成，外筒体(4)和内筒体(5)形成的容纳换热流体的空腔与换热流体出口(7)、换热流体进口(11)相连通，内筒体5内外两侧的侧壁上沿周向均匀布置有环形肋(6)，内筒体(5)顶部内外两侧均匀布置有直肋(8)，在内筒体(5)内还设置氢化物粉体反应床(9)，且在反应床(9)内布置有封闭的环形微通道(10)。

2.根据权利要求1所述的微通道式化学热泵反应器，其特征在于：所说的滤网的孔径大于300目。

3.根据权利要求1所述的微通道式化学热泵反应器，其特征在于：所说的环形微通道(10)为全封闭式环形微通道，在反应床(9)内沿轴向多层次均匀分布，并以壳体轴心为圆心，沿径向均匀分布，各环形微通道(10)在壳体轴线处交汇。

4.根据权利要求1所述的微通道式化学热泵反应器，其特征在于：所说的封闭环形微通道(10)内的循环换热流体为低粘度高比热容的液体或液态金属。

5.根据权利要求1所述的微通道式化学热泵反应器，其特征在于：所说的外筒体(4)采用绝热材料制成。

6.根据权利要求1所述的微通道式化学热泵反应器，其特征在于：所说的壳体底部气体进口(1)的直径与内筒体(5)的直径相等。

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